JP4491912B2 - Battery-powered legged mobile robot and control method thereof - Google Patents

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、作業空間を自在（無経路）に移動することができるインテリジェントな移動ロボットに係り、特に、充電式バッテリを用いて外部電源ケーブルによる拘束なしに作業空間を無経路で移動自在な移動ロボットに関する。
【０００２】
更に詳しくは、本発明は、作業空間を自在（無経路）に移動する移動ロボットのための電源管理に係り、特に、作業空間上の任意の場所でロー・バッテリ状態に陥った場合などであっても、無計画に行動したり電源供給遮断により転倒することのない移動ロボットのための電源管理に関する。
【０００３】
【従来の技術】
電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語のＲＯＢＯＴＡ(奴隷機械)に由来すると言われている。わが国では、ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット（industrial robot）であった。
【０００４】
アーム式ロボットのように、ある特定の場所に植設して用いるような据置きタイプのロボットは、部品の組立・選別作業など固定的・局所的な作業空間でのみ活動する。これに対し、移動式のロボットは、作業空間は非限定的であり、所定の経路上または無経路上を自在に移動して、所定の若しくは任意の人的作業を代行したり、ヒトやイヌあるいはその他の生命体に置き換わる種々の幅広いサービスを提供することができる。なかでも脚式の移動ロボットは、クローラ式やタイヤ式のロボットに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、階段や梯子の昇降や障害物の乗り越えや、整地・不整地の区別を問わない柔軟な歩行・走行動作を実現できるという点で優れている。
【０００５】
最近では、イヌやネコのように４足歩行の動物の身体メカニズムやその動作を模したペット型ロボット、あるいは、ヒトのような２足直立歩行を行う動物の身体メカニズムや動作をモデルにしてデザインされた「人間形」若しくは「人間型」のロボット（humanoid robot）など、脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。
【０００６】
人間の作業空間や居住空間のほとんどは、２足による直立歩行という人間が持つ身体メカニズムや行動様式に合わせて形成されている。言い換えれば、人間の住空間は、車輪その他の駆動装置を移動手段とした現状の機械システムが移動するのにはあまりに多くの障壁が存在する。機械システムすなわちロボットが様々な人的作業を支援又は代行し、さらに人間の住空間に深く浸透していくためには、ロボットの移動可能範囲が人間のそれとほぼ同じであることが好ましい。これが、脚式移動ロボットの実用化が大いに期待されている所以でもある。人間型の形態を有していることは、ロボットが人間の住環境との親和性を高める上で必須であると言える。
【０００７】
人間型ロボットを、産業活動・生産活動等における各種作業の代行に適用することができる。例えば、原子力発電プラントや火力発電プラント、石油化学プラントにおけるメンテナンス作業、製造工場における部品の搬送・組立作業、高層ビルにおける清掃、火災現場その他における救助といったような、人間が容易に踏み込むことができない現場での危険作業・難作業の代行である。
【０００８】
また、人間型ロボットの他の用途として、人間と居住空間を同一にする「共生」若しく「エンターティンメント」と呼ばれるものが挙げられる。この種の用途では、ロボットは、作業代行などの生活支援というよりも、生活密着という性格が濃厚である。
【０００９】
ところで、上述した各種のロボットはいずれも、電気電動式の機械装置であり、装置への給電作業は当然欠かすことができない。
【００１０】
アーム型ロボットのように特定の場所に固定的に設置するタイプのロボットや、行動半径や動作パターンが限定された移動ロボットの場合、商用ＡＣ電源から電源ケーブルを介して常時給電することができる。
【００１１】
これに対し、自律的且つ自在に動き回るタイプの移動ロボットの場合、電源ケーブルによって行動半径が制限されてしまうため、商用ＡＣ電源による給電は不可能である。この当然の帰結として、移動ロボットには充電式バッテリによる自律駆動が導入される。バッテリ駆動によれば移動ロボットは、電源コンセントの場所や電源ケーブル長などの物理的な制約を意識せず、人間の住空間や各種の作業空間を自走することができる。
【００１２】
例えば、人間型ロボットのように多自由度すなわち多数の関節アクチュエータを含む機械装置の場合、電力消費が大きく、且つ、アクチュエータ始動時のインラッシュ電流を供給するためには、大容量・高出力の充電池を必要とする（特に、脚部には強力なアクチュエータを必要とし、多大の電力を消耗する）。この結果、充電池の重量は増大し、ロボット本体の総重量の１０〜２０％程度を占めることになり、また、重量増大によりさらに消費電力が増えてしまう。しかしながら、電源ケーブルと四肢との干渉や電源ケーブル長による行動半径などの制約を排し、ロボットの行動自由度を確保するためには、バッテリ駆動式であることが好ましいという結論に到達する。
【００１３】
バッテリ駆動式の機械装置を使用する場合、バッテリの充電作業を伴うことが難点となる。特に、移動ロボットの場合、自動機器・無人機械として使用するものであるにも拘らず、充電作業は完全自動化の障壁になる。また、充電のためのバッテリ交換や電源コネクタ接続は、ユーザにとって手間でもある。
【００１４】
例えば、人間型ロボットの場合、人間の住空間の各場面において、生活支援や作業代行を行う最中に、充電池の容量が低下するたびに、ロボットを停止させて人手で充電作業を行っていたのでは、人間のパートナーとしては役割が不充分であり、むしろ人間がロボットのパートナーであると言う方が相当であろう。
【００１５】
移動ロボットにおける充電作業の自動化のために、いわゆる「充電ステーション」が採用されている。充電ステーションとは、その字義通り、移動ロボットのバッテリ充電を行うための専用スペースのことである。
【００１６】
例えば、本出願人に既に譲渡されている特願平１１−３０８２２４号明細書には、バッテリ駆動により作業空間を無経路で自在に移動する移動ロボットに対して充電ステーションによって充電を行う点について開示されている。すなわち、充電ステーションの所定部位に視認性識別データを配置するとともに、脚式移動ロボット側には、撮像手段と、撮像画像を基に移動ロボットから充電ステーションまでの距離・方向を算出する演算手段と、演算手段による算出結果を基に移動ロボットを充電ステーションに向かって探索せしめる探索手段とを搭載している。そして、脚式移動ロボットは、視認性識別データをカメラで追跡することで充電ステーションを探索することができるので、充電作業を自動化することができるという訳である。
【００１７】
また、本出願人に既に譲渡されている特願平１１−３６６６５１号明細書には、移動ロボットに対して充電ステーションによって充電を行う点について開示されている。すなわち、脚式移動ロボットは、自律的に充電時期を判断して充電ステーションに立ち寄って充電するので、ユーザなどの外的補助を必要しない。ユーザは煩雑な充電作業から解放され、充電時期を意識する必要もない。脚式移動ロボットによる対戦ゲームなどでは、ゲームの継続性やリアリティを損なず、観衆はロボット同士によるゲーム（たとえば、サッカーなど）を堪能することができる。
【００１８】
しかしながら、無経路的な作業空間を自律的に移動するインテリジェントなロボットの場合、バッテリの充電を開始すべき時期に充電ステーションの近隣に居合わせているとは限らない。
【００１９】
また、残存容量が低下したロー・バッテリ状態に陥ったにも拘わらず、フル可動を継続していると、バッテリの消耗はさらに激しくなり、充電ステーションに到達する前に電源が落ちてしまう可能性がある。
【００２０】
また、電源の供給が途絶える際に無計画的な動作パターンを実行していると、ロボットが不自然な格好のまま床面などに転倒してしまうことになる。このような場合、ロボット自体、あるいは転倒により衝突する対象物が致命的な破損してしまう危険があり、修繕のために経済的な負担が大きくなる可能性がある。特に、２足歩行の人間形ロボットの場合、上背があり重心位置も高いので、突発的な電源遮断により転倒すると、落下によるダメージは極めて大きい。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、作業空間を自在（無経路）に移動することができるインテリジェントな移動ロボットを提供することにある。
【００２２】
本発明の更なる目的は、充電式バッテリを用いて外部電源ケーブルによる拘束なしに作業空間を無経路で移動自在な、優れた移動ロボットを提供することにある。
【００２３】
本発明の更なる目的は、作業空間を自在（無経路）に移動する移動ロボットのための優れた電源管理技術を提供することにある。
【００２４】
本発明の更なる目的は、作業空間上の任意の場所でロー・バッテリ状態に陥った場合などであっても、無計画に行動したり電源供給遮断により転倒することのない、移動ロボットのための優れた電源管理技術を提供することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第１の側面は、少なくとも１以上の可動脚ユニットと、体幹部を含む１以上のその他の駆動部ユニットを含む、バッテリ駆動の脚式移動ロボットであって、
各駆動部ユニットに対して駆動を指示する制御信号を発行する制御部と、
前記バッテリの状態を監視する電源管理部と、
前記電源管理部によるバッテリ状態の監視結果に応答して、各駆動部ユニットへの駆動電力の供給・遮断を行う電源供給・遮断部と、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットである。
【００２６】
本発明の第１の側面に係る脚式移動ロボットにおいて、前記制御部は、前記駆動電力が遮断された駆動部ユニットに対する制御信号の出力を停止するようにしてもよい。
【００２７】
また、前記脚式移動ロボットは、さらに、姿勢センサ及び／又は画像入力装置、音声入出力装置を含んでもよい。このような場合、前記電源管理部は、前記バッテリの電力が所定値を下回ったことに応答して、該姿勢センサ及び／又は画像入力装置、音声入出力装置への駆動電力を遮断せしめて、省電力化を図ることができる。
【００２８】
また、前記脚式移動ロボットは頭部ユニットを含んでもよい。このような場合、前記電源管理部は、前記バッテリの電力が所定値を下回ったことに応答して、前記可動脚ユニットよりも先に前記頭部ユニットへの駆動電力を遮断せしめることで、消費電力を低減させつつ可動脚による脚式作業を可能な限り継続させるようにしてもよい。
【００２９】
また、前記脚式移動ロボットは腕部ユニットを含んでもよい。このような場合、前記電源管理部は、前記バッテリの電力が所定値を下回ったことに応答して、前記可動脚ユニットよりも先に前記腕部ユニットへの駆動電力を遮断せしめることで、消費電力を低減させつつ可動脚による脚式作業を可能な限り継続させるようにしてもよい。
【００３０】
また、前記脚式移動ロボットは体幹部ユニットを含んでもよい。このような場合、前記電源管理部は、前記バッテリの電力が所定値を下回ったことに応答して、前記可動脚ユニットよりも先に前記体幹部ユニットへの駆動電力を遮断せしめることで、消費電力を低減させつつ可動脚による脚式作業を可能な限り継続させるようにしてもよい。
【００３１】
また、前記制御部は、前記電源管理部から前記バッテリの電力が所定値を下回った旨の通知を受け取ったことに応答して、少なくとも一つの駆動部ユニットの制御パラメータを、消費電力が低下するような値に変更するようにしてもよい。
【００３２】
また、前記制御部は、前記電源管理部から前記バッテリの電力が所定値を下回った旨の通知を受け取ったことに応答して、少なくとも一部の駆動部ユニットに対する制御則を変更するようにしてもよい。
【００３３】
ここで言う制御側には、以下の事柄が含まれる。すなわち、
（１）駆動部ユニットにおける動作目標位置の変更
（２）少なくとも一部の駆動部ユニットの停止
（３）外部電源供給装置への接続動作
（４）重心位置が充分に低い安定姿勢への移行、及び、該安定姿勢下でのほとんどすべての駆動部ユニットへの駆動電力の停止
【００３４】
また、前記脚式移動ロボットは、頭部ユニット、腕部ユニット、及び体幹部ユニットの各々を含んでいる場合には、前記電源管理部は、前記バッテリの電力が所定値を下回ったことに応答して、頭部ユニット、腕部ユニット、体幹部ユニットの順で駆動電力を段階的に遮断せしめることで、消費電力を低減させつつ可動脚による脚式作業を可能な限り継続させることができる。
【００３５】
また、本発明の第２の側面は、少なくとも１以上の可動脚ユニットと、体幹部を含む１以上のその他の駆動部ユニットを含む、バッテリ駆動の脚式移動ロボットの制御方法であって、
前記バッテリの状態を監視する監視ステップと、
前記監視ステップにおけるバッテリ状態の監視結果に応答して、各駆動部ユニットへの駆動電力の供給・遮断を行う電源切り換えステップと、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの制御方法である。
【００３６】
本発明の第２の側面に係る脚式移動ロボットの制御方法は、さらに、前記駆動電力が遮断された駆動部ユニットに対する制御信号の出力を停止するステップを含んでいてもよい。
【００３７】
また、前記脚式移動ロボットは、さらに、姿勢センサ及び／又は画像入力装置、音声入出力装置を含んでいてもよい。このような場合、前記電源切り換えステップでは、前記監視ステップにおいて前記バッテリの電力が所定値を下回ったことが検出されたことに応答して、該姿勢センサ及び／又は画像入力装置、音声入出力装置への駆動電力を遮断せしめて、省電力化を図ることができる。
【００３８】
また、前記脚式移動ロボットは頭部ユニットを含んでいてもよい。このような場合、前記電源切り換えステップでは、前記監視ステップにおいて前記バッテリの電力が所定値を下回ったことが検出されたことに応答して、前記可動脚ユニットよりも先に前記頭部ユニットへの駆動電力を遮断せしめることで、消費電力を低減させつつ、可動脚による脚式作業を可能な限り継続させるようにしてもよい。
【００３９】
また、前記脚式移動ロボットは腕部ユニットを含んでいてもよい。このような場合、前記電源切り換えステップでは、前記監視ステップにおいて前記バッテリの電力が所定値を下回ったことが検出されたことに応答して、前記可動脚ユニットよりも先に前記腕部ユニットへの駆動電力を遮断せしめることで、消費電力を低減させつつ、可動脚による脚式作業を可能な限り継続させるようにしてもよい。
【００４０】
また、前記脚式移動ロボットは体幹部ユニットを含んでいてもよい。このような場合、前記電源切り換えステップでは、前記監視ステップにおいて前記バッテリの電力が所定値を下回ったことが検出されたことに応答して、前記可動脚ユニットよりも先に前記体幹部ユニットへの駆動電力を遮断せしめることで、消費電力を低減させつつ、可動脚による脚式作業を可能な限り継続させるようにしてもよい。
【００４１】
また、本発明に第２の側面に係る脚式移動ロボットの制御方法は、さらに、前記監視ステップにおいて前記バッテリの電力が所定値を下回ったことが検出されたことに応答して、少なくとも一つの駆動部ユニットの制御パラメータを消費電力が低下するような値に変更を指示するステップを含んでいてもよい。
【００４２】
また、前記監視ステップにおいて前記バッテリの電力が所定値を下回ったことが検出されたことに応答して、少なくとも一部の駆動部ユニットに対する制御則を変更するステップをさらに含んでいてもよい。
【００４３】
ここで言う制御側には、以下の事柄が含まれる。すなわち、
（１）駆動部ユニットにおける動作目標位置の変更
（２）少なくとも一部の駆動部ユニットの停止
（３）外部電源供給装置への接続動作
（４）重心位置が充分に低い安定姿勢への移行、及び、該安定姿勢下でのほとんどすべての駆動部ユニットへの駆動電力の停止
【００４４】
また、前記脚式移動ロボットは、頭部ユニット、腕部ユニット、及び体幹部ユニットの各々を含んでいる場合には、前記電源切り換えステップでは、前記バッテリの電力が所定値を下回ったことに応答して、頭部ユニット、腕部ユニット、体幹部ユニットの順で駆動電力を段階的に遮断せしめることで、消費電力を低減させつつ可動脚による脚式作業を可能な限り継続させることができる。
【００４５】
【作用】
本発明によれば、作業空間上の任意の場所でロー・バッテリ状態に陥った場合には、駆動アクチュエータの制御パラメータを変更したり、脚式作業への影響が少ない各駆動部ユニットを順次停止していくことで、消費電力を低減しバッテリ寿命を延長させることができる。
【００４６】
この結果、ロボットの動作の実行をより長時間継続したり、充電ステーションやその他の外部電源供給装置との接続動作に必要なエネルギを確保することができる。
【００４７】
また、本発明によれば、作業空間上の任意の場所でロー・バッテリ状態に陥った場合には、ロボットが腰を下ろした姿勢、うつ伏せに寝た姿勢、あるいは、あお向けに寝た姿勢などのように、姿勢の維持のために脚部やその他の駆動部ユニットの駆動（すなわち電力消費）をほとんど必要とせず、且つ、重心位置が充分に低い姿勢に移行することによって、転倒によりロボットや衝突物に大きな衝撃が加わることを回避することができる。
【００４８】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施例や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【００４９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施例を詳解する。
【００５０】
図１及び図２には、本発明の実施に供される「人間形」又は「人間型」の脚式移動ロボット１００が直立している様子を前方及び後方の各々から眺望した様子を示している。図示の通り、脚式移動ロボット１００は、脚式移動を行う左右２足の下肢と、体幹部と、左右の上肢と、頭部とで構成される。
【００５１】
左右各々の下肢は、大腿部と、膝関節と、脛部と、足首と、足平とで構成され、股関節によって体幹部の略最下端にて連結されている。また、左右各々の上肢は、上腕と、肘関節と、前腕とで構成され、肩関節によって体幹部上方の左右各側縁にて連結されている。また、頭部は、首関節によって体幹部の略最上端中央に連結されている。
【００５２】
体幹部ユニット内には、図１及び図２上では見えていない制御部が配備されている。この制御部は、脚式移動ロボット１００を構成する各関節アクチュエータの駆動制御や各センサ（後述）などからの外部入力を処理するコントローラ（主制御部）や、電源回路その他の周辺機器類を搭載した筐体である。制御部は、その他、遠隔操作用の通信インターフェースや通信装置を含んでいてもよい。
【００５３】
図３には、本実施例に係る脚式移動ロボット１００が具備する関節自由度構成を模式的に示している。図示の通り、脚式移動ロボット１００は、２本の腕部と頭部１を含む上体と、移動動作を実現する２本の脚部からなる下肢と、上肢と下肢とを連結する体幹部とで構成される。
【００５４】
頭部１を支持する首関節は、首関節ヨー軸２と、首関節ピッチ軸３と、首関節ロール軸４という３自由度を有している。
【００５５】
また、各腕部は、肩関節ピッチ軸８と、肩関節ロール軸９と、上腕ヨー軸１０と、肘関節ピッチ軸１１と、前腕ヨー軸１２と、手首関節ピッチ軸１３と、手首関節ロール軸１４と、手部１５とで構成される。手部１５は、実際には、複数本の指を含む多関節・多自由度構造体である。但し、手部１５の動作自体は、ロボット１００の姿勢安定制御や歩行動作制御に対する寄与や影響が少ないので、本明細書ではゼロ自由度と仮定する。したがって、左右の各腕部は７自由度を有するとする。
【００５６】
また、体幹部は、体幹ピッチ軸５と、体幹ロール軸６と、体幹ヨー軸７という３自由度を有する。
【００５７】
また、下肢を構成する左右各々の脚部は、股関節ヨー軸１６と、股関節ピッチ軸１７と、股関節ロール軸１８と、膝関節ピッチ軸１９と、足首関節ピッチ軸２０と、関節ロール軸２１と、足部（足底又は足平）２２とで構成される。人体の足部（足底）２２は、実際には多関節・多自由度の足底を含んだ構造体であるが、本実施例に係る脚式移動ロボット１００の足底はゼロ自由度とする。したがって、左右の各脚部は６自由度で構成される。
【００５８】
以上を総括すれば、本実施例に係る脚式移動ロボット１００全体としては、合計で３＋７×２＋３＋６×２＝３２自由度を有することになる。但し、脚式移動ロボット１００が必ずしも３２自由度に限定される訳ではない。設計・製作上の制約条件や要求仕様等に応じて、自由度すなわち関節数を適宜増減することができることは言うまでもない。
【００５９】
脚式移動ロボット１００が持つ上述の各関節自由度は、実際にはアクチュエータによる能動的な動作として実現される。装置の外観上で余分な膨らみを排してヒトの自然体形状に近似させることや、２足歩行という不安定構造体に対して姿勢制御を行うことなどの種々の要請から、関節アクチュエータは小型且つ軽量であることが好ましい。本実施例では、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニットに内蔵したタイプの小型ＡＣサーボ・アクチュエータを搭載することとした。なお、脚式ロボットに適用可能な小型ＡＣサーボ・アクチュエータに関しては、例えば本出願人に既に譲渡されている特願平１１−３３３８６号明細書に開示されている。
【００６０】
図４には、本実施例に係る脚式移動ロボット１００の制御システム構成を模式的に示している。同図に示すように、該システムは、ユーザ入力などに動的に反応して情緒判断や感情表現を司る思考制御モジュール２００と、関節アクチュエータの駆動などロボットの全身協調運動を制御する運動制御モジュール３００とで構成される。
【００６１】
思考制御モジュール２００は、情緒判断や感情表現に関する演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）２１１や、ＲＡＭ（Random Access Memory）２１２、ＲＯＭ（Read Only Memory）２１３、及び、外部記憶装置（ハード・ディスク・ドライブなど）２１４で構成される、自己完結処理を行うことができる独立した情報処理装置である。
【００６２】
思考制御モジュール２００には、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラなどの画像入力装置２５１や、マイクなどの音声入力装置２５２、スピーカなどの音声出力装置２５３、ＬＡＮ（Local Area Network：図示しない）などを経由してロボット１００外のシステムとデータ交換を行う通信インターフェース２５４など各種の装置が、バス・インターフェース２０１経由で接続されている。
【００６３】
思考制御モジュール２００では、画像入力装置２５１から入力される視覚データや音声入力装置２５２から入力される聴覚データなど、外界からの刺激などに従って、脚式移動ロボット１００の現在の感情や意思を決定する。さらに、意思決定に基づいた振舞い又は行動、すなわち四肢の運動を実行するように、運動制御モジュール３００に対して指令を発行する。
【００６４】
一方の運動制御モジュール３００は、ロボット１００の全身協調運動を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）３１１や、ＲＡＭ（Random Access Memory）３１２、ＲＯＭ（Read Only Memory）３１３、及び、外部記憶装置（ハード・ディスク・ドライブなど）３１４で構成される、自己完結処理を行うことができる独立した情報処理装置である。外部記憶装置３１４には、例えば、四肢を用いた各種の動作パターン又は歩容を蓄積することができる（「歩容」とは、当業界において「関節角度の時系列変化」を意味する技術用語である）。
【００６５】
運動制御モジュール３００には、ロボット１００の全身に分散するそれぞれの関節自由度を実現する関節アクチュエータ（図３を参照のこと）、体幹部の姿勢や傾斜を計測する姿勢センサ３５１、左右の足底の離床又は着床を検出する接地確認センサ３５２及び３５３、バッテリなどの電源を管理する電源制御装置３５４などの各種の装置が、バス・インターフェース３０１経由で接続されている。
【００６６】
運動制御モジュール３００では、思考制御モジュール２００から指示された行動を体現すべく、各関節アクチュエータによる全身協調運動を制御する。すなわち、ＣＰＵ３１１は、思考制御モジュール２００から指示された行動に応じた動作パターンを外部記憶装置３１４から取り出し、又は、内部的に動作パターンを生成する。そして、ＣＰＵ３１１は、指定された動作パターンに従って、足部運動、ＺＭＰ（Zero Moment Point）軌道、体幹運動、上肢運動、腰部水平位置及び高さなどを設定するとともに、これらの設定内容に従った動作を指示する指令値を各関節アクチュエータに転送する（「ＺＭＰ」とは、歩行中の床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点のことであり、また、「ＺＭＰ軌道」とは、例えばロボット１００の歩行動作期間中などにＺＭＰが動く軌跡を意味する）。
【００６７】
また、ＣＰＵ３１１は、姿勢センサ３５１の出力信号によりロボット１００の体幹部分の姿勢や傾きを検出するとともに、各接地確認センサ３５２及び３５３の出力信号により各可動脚が遊脚又は立脚のいずれの状態であるかを検出することによって、脚式移動ロボット１００の全身協調運動を適応的に制御することができる。
【００６８】
さらに、運動制御モジュール３００は、思考制御モジュール２００において決定された意思通りの行動がどの程度体現されたか、すなわち処理の状況を、思考制御モジュール２００に返すようになっている。
【００６９】
思考制御モジュール２００と運動制御モジュール３００は、共通のプラットフォーム上で構築され、両者間はバス・インターフェース２０１及び３０１を介して相互接続されている。
【００７０】
図５には、本実施例に係る脚式移動ロボット１００の電力供給システムの構成を模式的に示している。
【００７１】
図示の通り、本実施例に係るロボット１００は、ＡＣアダプタ５１１を介して供給される商用ＡＣ電源、並びに、バッテリ５１２を主電源として駆動することができる。これら主電源からの供給電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１３によって所定レベルの直流電圧に変換された後に、腕部、脚部、体幹部、体幹部などの電力を消費する各駆動部ユニットに分配されるようになっている。各駆動部ユニットは、関節アクチュエータやその駆動制御回路、アクチュエータの動作を計測するエンコーダなどで構成される。。
【００７２】
但し、商用ＡＣ電源により定常的に電力が供給される場合については、本発明の要旨に直接関連しないので、以下では説明を省略する。
【００７３】
バッテリ５１２は、充電可能な２次電池セルであり、例えば複数本の電池セルをパッケージ状に形成したバッテリ・パックとして提供される。２次電池としては、関節アクチュエータの初期駆動時に必要とされる過大なインラッシュ電流を供給するために、瞬時供給が比較的大きなニッケル水素（ＮｉＭＨ）電池が好ましい。
【００７４】
電源管理コントローラ５０１は、バッテリ５１２の充電状態及び放電状態を常時監視して、その検出結果を運動制御モジュール３００又は思考制御モジュール２００に報告するようになっている。報告を受けた制御モジュール２００／２３００側では、電源状態すなわちバッテリの残存容量に応じた行動計画の修正を実現することができる。バッテリ５１２の充放電状態は、例えば、バッテリ５１２の端子電圧、入出力電流、セル周囲温度などを計測することにより判別することができる。
【００７５】
ＤＣ／ＤＣコンバータの出力すなわち駆動電源と各駆動部ユニットを結ぶ電力線の途上には、電源供給・遮断部５０２が挿入されている。電源供給・遮断部５０２は、電源管理コントローラ５０１からの制御信号に従って、各部ユニット単位で駆動電源の供給並びに遮断動作を行うことができる。但し、電源管理の詳細な処理手順については後述に譲る。
【００７６】
なお、電源管理コントローラ５０１及び電源供給・遮断部５０２は、電源制御装置（図４を参照のこと）内に配置することができる。
【００７７】
図６には、本実施例に係るロボット１００における電力管理オペレーションの一例をフローチャートの形式で示している。以下、このフローチャートに従って説明する。
【００７８】
電力管理コントローラ５０１は、バッテリの残存容量を常時監視している。制御モジュール２００／３００は、バッテリの残存容量が未だ充分に残っているという通知を電力管理コントローラ５０１から受け取ると（ステップＳ１１）、ステップＳ１２以降の電力管理オペレーションをスキップして、次の動作へと移行する（ステップＳ２３）。
【００７９】
他方、制御モジュール２００／３００は、バッテリの残存容量が少ない、すなわち電力不足という通知を電力管理コントローラ５０１から受け取ると（ステップＳ１１）、ステップＳ１２に進んで、現在実行中の動作は姿勢センサ３５１による体幹部の姿勢や傾斜のセンサ出力を必要とするか否かを判断する。
【００８０】
判断ブロックＳ１２による判断結果が肯定的である場合には、出力センサ３５１への電力供給を停止して（ステップＳ１３）、省電力化を図る。電極供給の停止は、電源供給・遮断部５０２に対して所定の制御信号を発することにより行われる（以下、同様）。また、該判断結果が否定的であれば、ステップＳ１３をスキップする。
【００８１】
さらに、電力管理コントローラ５０１による通知に基づいて、バッテリの残存容量が少ないか、すなわち電力不足に陥っているか否かを再び判断する（ステップＳ１４）。
【００８２】
電力不足と判断された場合には、歩行などの脚式動作の続行に比較的影響の少ない頭部ユニットへの駆動電力を遮断して、頭部ユニットの動作を停止する（ステップＳ１５）。また、頭部ユニット内の各関節アクチュエータの駆動指令などの制御信号を停止して（ステップＳ１６）、省電力化を図る。頭部ユニットへの電力遮断は、駆動アクチュエータだけでなく、頭部に搭載された画像入力装置２５１，音声入力装置２５２，音声出力装置２５３，通信インターフェース２５４の電力遮断を含んでいてもよい。
【００８３】
さらに、電力管理コントローラ５０１による通知に基づいて、バッテリの残存容量が少ないか、すなわち電力不足に陥っているか否かを再び判断する（ステップＳ１７）。
【００８４】
電力不足と判断された場合には、歩行などの脚式動作の続行に対して、頭部ユニットに次いで影響の少ない腕部ユニットへの駆動電力を遮断して、腕部ユニットの動作を停止する（ステップＳ１８）。また、腕部ユニット内の各関節アクチュエータの駆動指令などの制御信号を停止して（ステップＳ１９）、省電力化を図る。
【００８５】
さらに、電力管理コントローラ５０１による通知に基づいて、バッテリの残存容量が少ないか、すなわち電力不足に陥っているか否かを再び判断する（ステップＳ２０）。
【００８６】
電力不足と判断された場合には、歩行などの脚式動作の続行に対して、腕部ユニットに次いで影響の少ない体幹部ユニットへの駆動電力を遮断して、体幹部ユニットの動作を停止する（ステップＳ２１）。また、体幹部ユニット内の各関節アクチュエータの駆動指令などの制御信号を停止して（ステップＳ２２）、省電力化を図る。
【００８７】
上述したような省電力を図る処理を実行した後に、次の動作に移行する（ステップＳ２３）。
【００８８】
図７には、本実施例に係るロボット１００における電力管理オペレーションの他の例をフローチャートの形式で示している。以下、このフローチャートに従って説明する。
【００８９】
電力管理コントローラ５０１は、バッテリの残存容量を常時監視している。制御モジュール２００／３００は、バッテリの残存容量が所定値を下回った、すなわち電力不足という通知を電力管理コントローラ５０１から受け取るまで待機する（ステップＳ３１）。
【００９０】
そして、バッテリの残存容量が所定値を下回ったという通知を受け取ると、制御モジュール２００／３００は、少なくとも１つの駆動部ユニットにおいて、駆動制御に使用する制御式の制御パラメータを変更する（ステップＳ３２）。この結果、当該駆動部ユニットでの消費電力が低減して、主電源としてのバッテリ５１２にかかる負担が軽減される。言い換えれば、バッテリ寿命が延長される。
【００９１】
次いで、制御モジュール２００／３００は、バッテリの残存容量が所定値を下回ったという通知を電力管理コントローラ５０１から受け取るまで、再び待機する（ステップＳ３３）。
【００９２】
そして、バッテリの残存容量が所定値を下回ったという通知を受け取ると、制御モジュール２００／３００は、少なくとも１つの駆動部ユニットにおいて、動作目標位置を変更する（ステップＳ３４）。ここで言う動作目標位置とは、例えば、バッテリ５１２の充電サービスを提供する充電ステーション（図示しない）、あるいは、ＡＣアダプタ５１１の装着場所であるＡＣコンセントである。
【００９３】
動作目標位置の変更は、移動ロボット１００が実行中の作業を一時中断して待避することを意味する。電源が復活して、作業の再開を行うために、中断時の実効状態を保存しておくことが好ましい。
【００９４】
次いで、制御モジュール２００／３００は、バッテリの残存容量が所定値を下回ったという通知を電力管理コントローラ５０１から受け取るまで、再び待機する（ステップＳ３５）。
【００９５】
そして、バッテリの残存容量が所定値を下回ったという通知を受け取ると、制御モジュール２００／３００は、少なくとも１つの駆動部ユニットの動作を停止する（ステップＳ３６）。動作を停止すべき駆動部ユニットは、センサ、頭部、腕部、体幹部などのように、脚部ユニットによる歩行などの脚式動作に比較的影響の少ない部位であることが好ましい。この結果、ステップＳ３４において設定した動作目標位置の実現を継続しつつ、システム全体で消費される電力をさらに低減することができる。なお、頭部ユニットへの電力遮断は、駆動アクチュエータだけでなく、頭部に搭載された画像入力装置２５１，音声入力装置２５２，音声出力装置２５３，通信インターフェース２５４の電力遮断を含んでいてもよい。また、各駆動部ユニットへの電力遮断は、各部に配備された各種センサ類の停止を含んでいてもよい。
【００９６】
次いで、制御モジュール２００／３００は、バッテリの残存容量が所定値を下回ったという通知を電力管理コントローラ５０１から受け取るまで、再び待機する（ステップＳ３７）。
【００９７】
そして、バッテリの残存容量が所定値を下回ったという通知を受け取ると、制御モジュール２００／３００は、外部の電源供給装置に接続する（ステップＳ３８）。ここで言う外部の電源供給装置とは、例えば、充電ステーション、ＡＣアダプタ５１１の装着場所であるＡＣコンセント、スペア・バッテリなどである。
【００９８】
図８には、本実施例に係るロボット１００における電力管理オペレーションの他の例をフローチャートの形式で示している。以下、このフローチャートに従って説明する。
【００９９】
電力管理コントローラ５０１は、バッテリの残存容量を常時監視している。制御モジュール２００／３００は、バッテリの残存容量が所定値を下回った、すなわち電力不足という通知を電力管理コントローラ５０１から受け取るまで待機する（ステップＳ４１）。
【０１００】
そして、バッテリの残存容量が所定値を下回ったという通知を受け取ると、制御モジュール２００／３００は、少なくとも１つの駆動部ユニットにおいて、駆動制御に使用する制御式の制御パラメータを変更する（ステップＳ４２）。この結果、当該駆動部ユニットでの消費電力が低減して、主電源としてのバッテリ５１２に係る負担が軽減される。言い換えれば、バッテリ寿命が延長される。
【０１０１】
次いで、制御モジュール２００／３００は、バッテリの残存容量が所定値を下回ったという通知を電力管理コントローラ５０１から受け取るまで、再び待機する（ステップＳ４３）。
【０１０２】
そして、バッテリの残存容量が所定値を下回ったという通知を受け取ると、制御モジュール２００／３００は、少なくとも１つの駆動部ユニットにおいて、動作目標位置を変更する（ステップＳ４４）。ここで言う動作目標位置は、例えば、バッテリが完全に消耗して電源供給が途絶えたときであっても、転倒などの危険な状態を回避し得る姿勢・動作パターンなどである。
【０１０３】
そして、動作目標位置への移行が完了した時点で駆動部のすべての動作を停止して（ステップＳ４５）、バッテリが完全に消耗する事態に備える。
【０１０４】
図９には、本実施例に係るロボット１００における電力管理オペレーションの他の例を状態遷移モデルの形式で示している。以下、この状態遷移モデルに従って説明する。
【０１０５】
状態０では、全軸すなわちすべての関節アクチュエータがフル稼動可能な状態で動作している。
【０１０６】
状態０において電力の低下が検出されると、状態１に遷移して、少なくとも１つの駆動部ユニットにおいて、制御パラメータの変更を行う。この結果、当該駆動部ユニットでの消費電力が低減して、主電源としてのバッテリ５１２にかかる負担を軽減した状態で動作を継続することができる。言い換えれば、バッテリ寿命が延長される。
【０１０７】
状態１から直接状態８に遷移して、バッテリの充電を開始してもよい。あるいは、状態７に一旦遷移して、充電ステーションやＡＣ電源への接続を行ってから状態８に遷移して、バッテリの充電を開始してもよい。充電が終了すると、状態０に戻って、全軸フル稼動での動作を行うことができる。
【０１０８】
また、状態１において電力の低下が検出されると、状態２に遷移して、動作目標位置の変更を行う。ここで言う動作目標位置とは、例えば、バッテリ５１２の充電サービスを提供する充電ステーション、あるいは、ＡＣアダプタ５１１の装着場所であるＡＣコンセントである。あるいは、バッテリが完全に消耗して電源供給が途絶えたときであっても、転倒などの危険な状態を回避し得る姿勢・動作パターンなどを動作目標として設定するようにしてもよい。
【０１０９】
後者の場合には、ロボット１００を安全な姿勢に待避させた後、状態３に遷移して全軸動作を停止させる。図１０〜図１２には、ロボット１００の安全な姿勢を例示している。すなわち、図１０ではロボット１００が腰を下ろした姿勢を示し、図１１ではロボット１０がうつ伏せに寝た姿勢を示し、また、図１２にはロボット１００があお向けに寝た姿勢を示している。いずれの図に示す場合も、姿勢の維持のために脚部やその他の駆動部ユニットの駆動（すなわち電力消費）をほとんど必要としない。また、ロボット１００の重心位置は、充分に低いので、転倒によりロボット１００や衝突物に大きな衝撃が加わる可能性がない。
【０１１０】
状態２から直接状態８に遷移して、バッテリの充電を開始してもよい。あるいは、状態７に一旦遷移して、充電ステーションやＡＣ電源への接続を行ってから状態８に遷移して、バッテリの充電を開始してもよい。充電が終了すると、状態０に戻って、全軸フル稼動での動作を行うことができる。
【０１１１】
また、状態２において電力の低下が検出されると、状態４に遷移して、歩行などの脚式動作の続行に比較的影響の少ない頭部ユニットの動作を停止する。また、頭部ユニット内の各関節アクチュエータの駆動指令などの制御信号を停止する。この結果、システム全体での消費電力が低減して、主電源としてのバッテリ５１２にかかる負担を軽減した状態で動作を継続することができる。言い換えれば、バッテリ寿命が延長される。頭部ユニットへの電力遮断は、駆動アクチュエータだけでなく、頭部に搭載された画像入力装置２５１，音声入力装置２５２，音声出力装置２５３，通信インターフェース２５４の電力遮断を含んでいてもよい。
【０１１２】
状態４から直接状態８に遷移して、バッテリの充電を開始してもよい。あるいは、状態７に一旦遷移して、充電ステーションやＡＣ電源への接続を行ってから状態８に遷移して、バッテリの充電を開始してもよい。充電が終了すると、状態０に戻って、全軸フル稼動での動作を行うことができる。
【０１１３】
また、状態４において電力の低下が検出されると、状態５に遷移して、歩行などの脚式動作の続行に次に影響の少ない腕部ユニットの動作を停止する。また、腕部ユニット内の各関節アクチュエータの駆動指令などの制御信号を停止する。この結果、システム全体での消費電力が低減して、主電源としてのバッテリ５１２にかかる負担を軽減した状態で動作を継続することができる。言い換えれば、バッテリ寿命が延長される。
【０１１４】
状態５から直接状態８に遷移して、バッテリの充電を開始してもよい。あるいは、状態７に一旦遷移して、充電ステーションやＡＣ電源への接続を行ってから状態８に遷移して、バッテリの充電を開始してもよい。充電が終了すると、状態０に戻って、全軸フル稼動での動作を行うことができる。
【０１１５】
また、状態５において電力の低下が検出されると、状態６に遷移して、歩行などの脚式動作の続行に次に影響の少ない体幹部ユニットの動作を停止する。また、体幹部ユニット内の各関節アクチュエータの駆動指令などの制御信号を停止する。この結果、システム全体での消費電力が低減して、主電源としてのバッテリ５１２にかかる負担を軽減した状態で動作を継続することができる。言い換えれば、バッテリ寿命が延長される。
【０１１６】
状態５から直接状態８に遷移して、バッテリの充電を開始してもよい。あるいは、状態７に一旦遷移して、充電ステーションやＡＣ電源への接続を行ってから状態８に遷移して、バッテリの充電を開始してもよい。充電が終了すると、状態０に戻って、全軸フル稼動での動作を行うことができる。
【０１１７】
［追補］
以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。
【０１１８】
本明細書中では、２足歩行の人間形ロボットに本発明を適用した実施例に従って説明してきたが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、他のタイプの脚式移動ロボット、あるいは、脚式以外の移動ロボットに対しても本発明は有効に作用することを充分理解されたい。
【０１１９】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、限定的に解釈されるべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【０１２０】
【発明の効果】
以上詳記したように、充電式バッテリを用いて外部電源ケーブルによる拘束なしに作業空間を無経路で移動自在な、優れた移動ロボットを提供することができる。
【０１２１】
また、本発明によれば、作業空間を自在（無経路）に移動する移動ロボットのための優れた電源管理技術を提供することができる。
【０１２２】
また、本発明によれば、作業空間上の任意の場所でロー・バッテリ状態に陥った場合などであっても、無計画に行動したり電源供給遮断により転倒することのない、移動ロボットのための優れた電源管理技術を提供することができる。
【０１２３】
また、本発明によれば、作業空間上の任意の場所でロー・バッテリ状態に陥った場合には、駆動アクチュエータの制御パラメータを変更したり、脚式作業への影響が少ない各駆動部ユニットを順次停止していくことで、消費電力を低減しバッテリ寿命を延長させることができる。この結果、ロボットの動作の実行をより長時間継続したり、充電ステーションやその他の外部電源供給装置との接続動作に必要なエネルギを確保することができる。
【０１２４】
また、本発明によれば、作業空間上の任意の場所でロー・バッテリ状態に陥った場合には、ロボット１００が腰を下ろした姿勢、うつ伏せに寝た姿勢、あるいは、あお向けに寝た姿勢などのように、姿勢の維持のために脚部やその他の駆動部ユニットの駆動（すなわち電力消費）をほとんど必要とせず、且つ、重心位置が充分に低い姿勢に移行することによって、転倒によりロボット１００や衝突物に大きな衝撃が加わることを回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施に供される脚式移動ロボット１００を前方から眺望した様子を示た図である。
【図２】本発明の実施に供される脚式移動ロボット１００を後方から眺望した様子を示た図である。
【図３】本実施例に係る脚式移動ロボット１００が具備する自由度構成モデルを模式的に示した図である。
【図４】本実施例に係る脚式移動ロボット１００の制御システム構成を模式的に示した図である。
【図５】本実施例に係る脚式移動ロボット１００の電力供給システムの構成を模式的に示したブロック図である。
【図６】本実施例に係るロボット１００における電力管理オペレーションの一例を示したフローチャートである。
【図７】本実施例に係るロボット１００における電力管理オペレーションの他の例を示したフローチャートである。
【図８】本実施例に係るロボット１００における電力管理オペレーションの他の例を示したフローチャートである。
【図９】本実施例に係るロボット１００における電力管理オペレーションの他の例を示した状態遷移図である。
【図１０】ロボット１００の安全な姿勢を例示した図であり、より具体的には、ロボット１００が腰を下ろした姿勢を示した図である。
【図１１】ロボット１００の安全な姿勢を例示した図であり、より具体的には、ロボット１００がうつ伏せに寝た姿勢を示した図である。
【図１２】ロボット１００の安全な姿勢を例示した図であり、より具体的には、ロボット１００があお向けに寝た姿勢を示した図である。
【符号の説明】
１…頭部，２…首関節ヨー軸
３…首関節ピッチ軸，４…首関節ロール軸
５…体幹ピッチ軸，６…体幹ロール軸
７…体幹ヨー軸，８…肩関節ピッチ軸
９…肩関節ロール軸，１０…上腕ヨー軸
１１…肘関節ピッチ軸，１２…前腕ヨー軸
１３…手首関節ピッチ軸，１４…手首関節ロール軸
１５…手部，１６…股関節ヨー軸
１７…股関節ピッチ軸，１８…股関節ロール軸
１９…膝関節ピッチ軸，２０…足首関節ピッチ軸
２１…足首関節ロール軸，２２…足部（足底）
１００…脚式移動ロボット
２００…思考制御モジュール
２０１…バス・インターフェース
２１１…ＣＰＵ，２１２…ＲＡＭ，２１３…ＲＯＭ
２１４…外部記憶装置
２５１…画像入力装置（ＣＣＤカメラ）
２５２…音声入力装置（マイク）
２５３…音声出力装置（スピーカ）
２５４…通信インターフェース
３００…運動制御モジュール
３０１…バス・インターフェース
３１１…ＣＰＵ，３１２…ＲＡＭ，３１３…ＲＯＭ
３１４…外部記憶装置
３５１…姿勢センサ
３５２，３５３…接地確認センサ
３５４…電源制御装置
５０１…電源管理コントローラ，５０２…電源供給・遮断部
５１１…ＡＣアダプタ，５１２…バッテリ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an intelligent mobile robot capable of freely moving (no path) in a work space, and in particular, using a rechargeable battery to move freely in a work space without restriction by an external power cable. Related to robots.
[0002]
More specifically, the present invention relates to power management for a mobile robot that moves freely (no path) in the work space, and particularly when the battery falls into a low battery state at any place on the work space. However, the present invention relates to power management for mobile robots that do not act unplanned or fall over due to power supply interruption.
[0003]
[Prior art]
A mechanical device that uses an electrical or magnetic action to perform a movement resembling human movement is called a “robot”. The origin of the robot is said to be derived from the Slavic word ROBOTA (slave machine). In Japan, robots began to spread from the end of the 1960s, but many of them are industrial robots such as manipulators and transfer robots for the purpose of automating and unmanned production operations in factories. Met.
[0004]
A stationary type robot such as an arm type robot that is implanted and used in a specific place operates only in a fixed / local work space such as an assembly / sorting operation of parts. In contrast, a mobile robot has a non-restricted working space, and can freely move on a predetermined route or a non-route to perform a predetermined or arbitrary human work, or a human or dog. Alternatively, various wide-ranging services that can replace other life forms can be provided. In particular, legged mobile robots are more unstable than crawler and tire type robots, making posture control and walking control difficult, but it is difficult to move up and down stairs and ladders, get over obstacles, and distinguish between leveling and rough terrain. It is excellent in that it can realize flexible walking / running operation regardless of the type.
[0005]
Recently, the model is based on the body mechanism and movement of a four-legged animal such as a dog or a cat, or a pet-type robot that mimics its movement, or a human-like animal that walks upright on two legs. Research and development on legged mobile robots such as the “humanoid” or “humanoid robot” has been progressed, and the expectation for practical use is also increasing.
[0006]
Most of the human work space and living space are formed according to the human body's physical mechanism and behavioral style of standing upright with two legs. In other words, there are too many barriers in the human living space for the current mechanical system that uses wheels or other driving devices to move. In order for the mechanical system, that is, the robot to support or substitute for various human tasks and penetrate deeply into the human living space, it is preferable that the movable range of the robot is substantially the same as that of the human. This is also why the practical application of legged mobile robots is highly expected. It can be said that having a humanoid form is indispensable for a robot to enhance its affinity with a human living environment.
[0007]
The humanoid robot can be applied as a substitute for various operations in industrial activities and production activities. For example, sites that cannot be easily stepped on by humans, such as maintenance work at nuclear power plants, thermal power plants, petrochemical plants, parts transportation and assembly work at manufacturing plants, cleaning in high-rise buildings, rescue at fire sites, etc. It is a substitute for dangerous work and difficult work.
[0008]
Another use of the humanoid robot is called “symbiosis” or “entertainment” to make the living space the same as the human. In this type of application, robots have a rich personality rather than life support such as work substitution.
[0009]
By the way, each of the various robots described above is an electric motor-driven mechanical device, and the power supply operation to the device is naturally indispensable.
[0010]
In the case of a robot that is fixedly installed at a specific location, such as an arm type robot, or a mobile robot that has a limited action radius or action pattern, power can be constantly supplied from a commercial AC power supply via a power cable.
[0011]
On the other hand, in the case of a mobile robot that moves around autonomously and freely, the action radius is limited by the power cable, so power supply by a commercial AC power supply is impossible. As a natural consequence of this, autonomous driving by rechargeable batteries is introduced to mobile robots. The battery-driven mobile robot can run in human living spaces and various work spaces without being aware of physical restrictions such as the location of the power outlet and the length of the power cable.
[0012]
For example, in the case of a mechanical device including multiple degrees of freedom, that is, a large number of joint actuators, such as a humanoid robot, the power consumption is large, and in order to supply the inrush current at the start of the actuator, a large capacity and high output is required. Rechargeable batteries are required (especially, the legs need strong actuators and consume a lot of power). As a result, the weight of the rechargeable battery increases and occupies about 10 to 20% of the total weight of the robot body, and the power consumption further increases due to the increase in weight. However, in order to eliminate the interference between the power cable and the extremities and the action radius due to the length of the power cable and to secure the freedom of action of the robot, the conclusion is reached that it is preferable to be battery-driven.
[0013]
When a battery-driven mechanical device is used, it is difficult to accompany a battery charging operation. In particular, in the case of a mobile robot, charging work becomes a barrier to full automation even though it is used as an automatic device / unmanned machine. In addition, battery replacement for charging and connection of a power connector is troublesome for the user.
[0014]
For example, in the case of a humanoid robot, every time the capacity of the rechargeable battery decreases during life support or work substitution in each scene of a human living space, the robot is stopped and charged manually. Therefore, it would be more appropriate to say that human beings are robot partners, because their roles are insufficient as human partners.
[0015]
A so-called “charging station” is employed to automate charging operations in mobile robots. The charging station is a dedicated space for charging the battery of the mobile robot.
[0016]
For example, Japanese Patent Application No. 11-308224, which has already been assigned to the present applicant, discloses that charging is performed by a charging station for a mobile robot that freely moves in a work space without a path by battery driving. Has been. That is, the visibility identification data is arranged at a predetermined part of the charging station, and on the legged mobile robot side, an imaging unit, an arithmetic unit that calculates the distance and direction from the mobile robot to the charging station based on the captured image, And a search means for searching the mobile robot toward the charging station based on the calculation result by the calculation means. Since the legged mobile robot can search for the charging station by tracking the visibility identification data with the camera, the charging operation can be automated.
[0017]
Japanese Patent Application No. 11-366651 already assigned to the present applicant discloses that a mobile robot is charged by a charging station. That is, the legged mobile robot autonomously determines the charging time and stops at the charging station for charging, so there is no need for external assistance from the user or the like. The user is free from complicated charging work and does not need to be aware of the charging time. In a battle game using a legged mobile robot, the continuity and reality of the game are not impaired, and the audience can enjoy a game (for example, soccer) between the robots.
[0018]
However, in the case of an intelligent robot that autonomously moves in a pathless work space, it is not always present in the vicinity of the charging station at the time when charging of the battery should be started.
[0019]
In addition, if the battery continues to operate at full capacity despite a low battery condition with a low remaining capacity, the battery will become even more depleted and may lose power before reaching the charging station. There is.
[0020]
Also, if an unplanned operation pattern is executed when the supply of power is interrupted, the robot will fall to the floor or the like with an unnatural appearance. In such a case, there is a risk that the robot itself or an object that collides due to falling may be fatally damaged, and there is a possibility that an economic burden is increased for repair. In particular, a biped walking humanoid robot has an upper back and a high center of gravity, so if it falls down due to a sudden power interruption, the damage caused by the fall is extremely large.
[0021]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide an intelligent mobile robot that can freely move (no path) in a work space.
[0022]
It is a further object of the present invention to provide an excellent mobile robot that uses a rechargeable battery and can freely move in a work space without restriction by an external power cable.
[0023]
It is a further object of the present invention to provide an excellent power management technique for a mobile robot that moves freely (no path) in the work space.
[0024]
A further object of the present invention is for a mobile robot that does not act unplanned or falls by power supply interruption even when it falls into a low battery state at any place on the work space. Is to provide excellent power management technology.
[0025]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in consideration of the above-described problems, and a first side of the present invention includes at least one movable leg unit and one or more other drive unit units including a trunk part. A legged mobile robot,
A control unit that issues a control signal instructing driving to each driving unit;
A power management unit for monitoring the state of the battery;
In response to the monitoring result of the battery state by the power management unit, a power supply / cutoff unit that supplies / cuts drive power to each drive unit;
It is a legged mobile robot characterized by comprising.
[0026]
In the legged mobile robot according to the first aspect of the present invention, the control unit may stop outputting the control signal to the drive unit where the drive power is cut off.
[0027]
The legged mobile robot may further include a posture sensor and / or an image input device and a voice input / output device. In such a case, in response to the fact that the power of the battery is lower than a predetermined value, the power management unit cuts off the driving power to the posture sensor and / or the image input device and the voice input / output device, Power saving can be achieved.
[0028]
The legged mobile robot may include a head unit. In such a case, in response to the fact that the power of the battery is lower than a predetermined value, the power management unit consumes the drive power to the head unit before the movable leg unit is cut off. The legged work with the movable leg may be continued as much as possible while reducing the electric power.
[0029]
The legged mobile robot may include an arm unit. In such a case, in response to the fact that the power of the battery is lower than a predetermined value, the power management unit consumes power by shutting off the driving power to the arm unit before the movable leg unit. The legged work with the movable leg may be continued as much as possible while reducing the electric power.
[0030]
The legged mobile robot may include a trunk unit. In such a case, in response to the fact that the power of the battery falls below a predetermined value, the power management unit consumes power by shutting off the driving power to the trunk unit before the movable leg unit. The legged work with the movable leg may be continued as much as possible while reducing the electric power.
[0031]
Further, the control unit reduces the power consumption of the control parameter of at least one drive unit in response to receiving a notification from the power management unit that the power of the battery is below a predetermined value. You may make it change into such a value.
[0032]
Further, the control unit changes a control law for at least a part of the drive unit units in response to receiving a notification from the power management unit that the power of the battery has fallen below a predetermined value. Also good.
[0033]
The control side mentioned here includes the following matters. That is,
(1) Changing the operation target position in the drive unit
(2) Stop at least some drive units
(3) Connection to external power supply device
(4) Transition to a stable posture with a sufficiently low center of gravity, and stop of drive power to almost all drive unit units under the stable posture
[0034]
When the legged mobile robot includes a head unit, an arm unit, and a torso unit, the power management unit responds that the power of the battery falls below a predetermined value. Then, by cutting off the driving power in the order of the head unit, the arm unit, and the trunk unit, the legged work with the movable leg can be continued as much as possible while reducing the power consumption.
[0035]
The second aspect of the present invention is a method for controlling a battery-powered legged mobile robot including at least one or more movable leg units and one or more other drive unit units including a trunk.
A monitoring step of monitoring the state of the battery;
In response to the monitoring result of the battery state in the monitoring step, a power supply switching step for supplying / cutting driving power to each driving unit, and
A control method for a legged mobile robot.
[0036]
The control method for the legged mobile robot according to the second aspect of the present invention may further include a step of stopping the output of the control signal to the drive unit in which the drive power is cut off.
[0037]
The legged mobile robot may further include a posture sensor and / or an image input device and a voice input / output device. In such a case, in the power supply switching step, the posture sensor and / or the image input device, the voice input / output device in response to detecting that the power of the battery falls below a predetermined value in the monitoring step. It is possible to save power by cutting off the driving power to the power source.
[0038]
The legged mobile robot may include a head unit. In such a case, in the power supply switching step, in response to detecting that the power of the battery falls below a predetermined value in the monitoring step, the head unit is connected to the head unit prior to the movable leg unit. By cutting off the drive power, the legged work with the movable leg may be continued as much as possible while reducing the power consumption.
[0039]
The legged mobile robot may include an arm unit. In such a case, in the power supply switching step, in response to detecting that the power of the battery falls below a predetermined value in the monitoring step, the arm unit is connected to the arm unit before the movable leg unit. By cutting off the drive power, the legged work with the movable leg may be continued as much as possible while reducing the power consumption.
[0040]
The legged mobile robot may include a trunk unit. In such a case, in the power supply switching step, in response to detecting that the power of the battery has fallen below a predetermined value in the monitoring step, the trunk unit is connected to the trunk unit prior to the movable leg unit. By cutting off the drive power, the legged work with the movable leg may be continued as much as possible while reducing the power consumption.
[0041]
The legged mobile robot control method according to the second aspect of the present invention further includes at least one response in response to detecting that the power of the battery falls below a predetermined value in the monitoring step. A step of instructing to change the control parameter of the drive unit to a value that reduces power consumption may be included.
[0042]
The monitoring step may further include a step of changing a control law for at least some of the drive unit units in response to detecting that the power of the battery is below a predetermined value.
[0043]
The control side mentioned here includes the following matters. That is,
(1) Changing the operation target position in the drive unit
(2) Stop at least some drive units
(3) Connection to external power supply device
(4) Transition to a stable posture with a sufficiently low center of gravity, and stop of drive power to almost all drive unit units under the stable posture
[0044]
When the legged mobile robot includes a head unit, an arm unit, and a torso unit, the power switching step responds that the power of the battery has fallen below a predetermined value. Then, by cutting off the driving power stepwise in the order of the head unit, arm unit, and trunk unit, the legged work with the movable leg can be continued as much as possible while reducing the power consumption.
[0045]
[Action]
According to the present invention, when a low battery state occurs in any place on the work space, the control parameter of the drive actuator is changed, or each drive unit that has little influence on the legged work is sequentially stopped. By doing so, it is possible to reduce power consumption and extend battery life.
[0046]
As a result, the execution of the robot operation can be continued for a longer time, and the energy required for the connection operation with the charging station and other external power supply devices can be ensured.
[0047]
In addition, according to the present invention, when the battery falls into a low battery state at any place on the work space, the posture where the robot sits down, the posture of lying down, the posture of sleeping on the back, etc. As described above, it requires almost no drive of the legs or other drive unit (ie, power consumption) to maintain the posture, and the position of the center of gravity shifts to a posture that is sufficiently low. It is possible to avoid a large impact on the object.
[0048]
Other objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from a more detailed description based on embodiments of the present invention described later and the accompanying drawings.
[0049]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0050]
FIG. 1 and FIG. 2 show a state in which the “humanoid” or “humanoid” legged mobile robot 100 used for carrying out the present invention is viewed from the front and rear, respectively. Yes. As shown in the figure, the legged mobile robot 100 is composed of left and right lower limbs that perform legged movement, a trunk, left and right upper limbs, and a head.
[0051]
Each of the left and right lower limbs is composed of a thigh, a knee joint, a shin, an ankle, and a foot, and is connected by a hip joint at the substantially lower end of the trunk. The left and right upper limbs are composed of an upper arm, an elbow joint, and a forearm, and are connected to the left and right side edges above the trunk by shoulder joints. The head is connected to the substantially uppermost center of the trunk by a neck joint.
[0052]
A control unit that is not visible in FIGS. 1 and 2 is arranged in the trunk unit. This control unit is equipped with a controller (main control unit) for processing external inputs from each joint actuator constituting each legged mobile robot 100 and each sensor (described later), a power supply circuit and other peripheral devices. It is the housing which was made. In addition, the control unit may include a communication interface and a communication device for remote operation.
[0053]
FIG. 3 schematically illustrates a joint degree-of-freedom configuration included in the legged mobile robot 100 according to the present embodiment. As shown in the figure, the legged mobile robot 100 includes an upper body including two arms and a head 1, a lower limb including two legs that realize a moving operation, and a trunk that connects the upper limb and the lower limb. It consists of.
[0054]
The neck joint that supports the head 1 has three degrees of freedom: a neck joint yaw axis 2, a neck joint pitch axis 3, and a neck joint roll axis 4.
[0055]
Each arm portion includes a shoulder joint pitch axis 8, a shoulder joint roll axis 9, an upper arm yaw axis 10, an elbow joint pitch axis 11, a forearm yaw axis 12, a wrist joint pitch axis 13, and a wrist joint roll. It comprises a shaft 14 and a hand portion 15. The hand portion 15 is actually a multi-joint / multi-degree-of-freedom structure including a plurality of fingers. However, since the movement of the hand portion 15 has little contribution or influence to the posture stability control or the walking movement control of the robot 100, it is assumed in this specification that there is zero degree of freedom. Therefore, it is assumed that the left and right arms have 7 degrees of freedom.
[0056]
The trunk has three degrees of freedom: a trunk pitch axis 5, a trunk roll axis 6, and a trunk yaw axis 7.
[0057]
Further, the left and right legs constituting the lower limb are a hip joint yaw axis 16, a hip joint pitch axis 17, a hip joint roll axis 18, a knee joint pitch axis 19, an ankle joint pitch axis 20, and a joint roll axis 21. , And a foot part (plantar or foot) 22. The human foot (plant) 22 is actually a structure including a multi-joint / multi-degree-of-freedom sole, but the foot-type mobile robot 100 according to the present embodiment has a zero-degree-of-freedom sole. To do. Accordingly, the left and right legs are configured with six degrees of freedom.
[0058]
In summary, the legged mobile robot 100 according to the present embodiment has a total of 3 + 7 × 2 + 3 + 6 × 2 = 32 degrees of freedom. However, the legged mobile robot 100 is not necessarily limited to 32 degrees of freedom. It goes without saying that the degree of freedom, that is, the number of joints, can be increased or decreased as appropriate in accordance with design and manufacturing constraints and required specifications.
[0059]
The above-described degrees of joint freedom of the legged mobile robot 100 is actually realized as an active operation by an actuator. Due to various requests such as eliminating the extra bulge on the external appearance of the device and approximating it to the shape of a natural human body, or performing posture control on an unstable structure such as biped walking, the joint actuator is small and It is preferable that it is lightweight. In this embodiment, a small AC servo actuator of a gear direct connection type and a servo control system of a single chip built in a motor unit is mounted. A small AC servo actuator applicable to a legged robot is disclosed in, for example, Japanese Patent Application No. 11-33386 already assigned to the present applicant.
[0060]
FIG. 4 schematically shows a control system configuration of the legged mobile robot 100 according to the present embodiment. As shown in the figure, the system includes a thought control module 200 that dynamically controls emotion judgment and emotion expression in response to user input and the like, and a motion control module that controls the whole body coordinated motion of the robot such as driving joint actuators. 300.
[0061]
The thought control module 200 includes a CPU (Central Processing Unit) 211, a RAM (Random Access Memory) 212, a ROM (Read Only Memory) 213, and an external storage device (hardware This is an independent information processing apparatus that is capable of performing self-contained processing.
[0062]
The thought control module 200 is connected to an image input device 251 such as a CCD (Charge Coupled Device) camera, an audio input device 252 such as a microphone, an audio output device 253 such as a speaker, and a LAN (Local Area Network: not shown). Various devices such as a communication interface 254 for exchanging data with a system outside the robot 100 are connected via the bus interface 201.
[0063]
The thought control module 200 determines the current emotion and intention of the legged mobile robot 100 according to stimuli from the outside such as visual data input from the image input device 251 and auditory data input from the voice input device 252. . Furthermore, a command is issued to the motion control module 300 to execute the behavior or action based on the decision making, that is, the movement of the limb.
[0064]
One motion control module 300 includes a central processing unit (CPU) 311, a random access memory (RAM) 312, a read only memory (ROM) 313, and an external storage device (hardware / hardware). It is an independent information processing apparatus that is capable of performing self-contained processing. For example, various motion patterns or gaits using extremities can be stored in the external storage device 314 (“gait” is a technical term that means “time-series change of joint angle” in the art). Is).
[0065]
The motion control module 300 includes a joint actuator (see FIG. 3) that realizes joint degrees of freedom distributed throughout the body of the robot 100, a posture sensor 351 that measures the posture and inclination of the trunk, and left and right soles. Various devices such as grounding confirmation sensors 352 and 353 for detecting the leaving or landing of the vehicle and a power supply control device 354 for managing the power supply of the battery or the like are connected via the bus interface 301.
[0066]
In the motion control module 300, the whole body cooperative motion by each joint actuator is controlled in order to embody the action instructed from the thought control module 200. That is, the CPU 311 extracts an operation pattern corresponding to the action instructed from the thought control module 200 from the external storage device 314 or generates an operation pattern internally. Then, the CPU 311 sets a foot movement, a ZMP (Zero Moment Point) trajectory, a trunk movement, an upper limb movement, a horizontal position of the waist, a height, and the like according to the specified operation pattern, and follows these setting contents. The command value for instructing the operation is transferred to each joint actuator (“ZMP” is a point on the floor where the moment due to the floor reaction force during walking is zero, and “ZMP trajectory” is For example, it means a trajectory in which the ZMP moves during the walking operation period of the robot 100).
[0067]
In addition, the CPU 311 detects the posture and inclination of the trunk portion of the robot 100 based on the output signal of the posture sensor 351, and each movable leg is in the state of either a free leg or a standing leg based on the output signals of the ground contact confirmation sensors 352 and 353. , It is possible to adaptively control the whole body cooperative movement of the legged mobile robot 100.
[0068]
Furthermore, the motion control module 300 returns to the thought control module 200 the extent to which the intended behavior determined by the thought control module 200 is manifested, that is, the processing status.
[0069]
The thought control module 200 and the motion control module 300 are constructed on a common platform, and are interconnected via bus interfaces 201 and 301.
[0070]
FIG. 5 schematically shows the configuration of the power supply system of the legged mobile robot 100 according to the present embodiment.
[0071]
As illustrated, the robot 100 according to the present embodiment can be driven by using a commercial AC power source supplied via an AC adapter 511 and a battery 512 as a main power source. The power supplied from the main power source is converted into a DC voltage of a predetermined level by the DC / DC converter 513 and then distributed to each drive unit that consumes power such as the arm, leg, trunk, and trunk. It has become so. Each drive unit is composed of a joint actuator, a drive control circuit thereof, an encoder for measuring the operation of the actuator, and the like. .
[0072]
However, the case where power is steadily supplied from a commercial AC power supply is not directly related to the gist of the present invention, and will not be described below.
[0073]
The battery 512 is a rechargeable secondary battery cell, and is provided, for example, as a battery pack in which a plurality of battery cells are formed in a package shape. The secondary battery is preferably a nickel metal hydride (NiMH) battery that has a relatively large instantaneous supply in order to supply an excessive inrush current required during the initial drive of the joint actuator.
[0074]
The power management controller 501 constantly monitors the state of charge and discharge of the battery 512, and reports the detection result to the motion control module 300 or the thought control module 200. On the control module 200/2300 side that has received the report, the action plan can be corrected according to the power state, that is, the remaining battery capacity. The charge / discharge state of the battery 512 can be determined by measuring the terminal voltage, input / output current, cell ambient temperature, etc. of the battery 512, for example.
[0075]
A power supply / cutoff unit 502 is inserted in the middle of the output of the DC / DC converter, that is, the power line connecting the drive power supply and each drive unit. The power supply / shut-off unit 502 can supply and shut off drive power in units of each unit in accordance with a control signal from the power management controller 501. However, the detailed processing procedure of power management will be described later.
[0076]
Note that the power management controller 501 and the power supply / shut-off unit 502 can be arranged in a power control device (see FIG. 4).
[0077]
FIG. 6 shows an example of a power management operation in the robot 100 according to the present embodiment in the form of a flowchart. Hereinafter, description will be given according to this flowchart.
[0078]
The power management controller 501 constantly monitors the remaining capacity of the battery. When the control module 200/300 receives a notification from the power management controller 501 that the remaining capacity of the battery is still sufficient (step S11), the control module 200/300 skips the power management operation after step S12 and proceeds to the next operation. Transition is made (step S23).
[0079]
On the other hand, when the control module 200/300 receives notification from the power management controller 501 that the remaining capacity of the battery is low, that is, power shortage (step S11), the control module 200/300 proceeds to step S12, and the currently executed operation is performed by the attitude sensor 351. It is determined whether or not a sensor output of the posture or inclination of the trunk is required.
[0080]
If the determination result by the determination block S12 is affirmative, the power supply to the output sensor 351 is stopped (step S13) to save power. The electrode supply is stopped by issuing a predetermined control signal to the power supply / interruption unit 502 (hereinafter the same). If the determination result is negative, step S13 is skipped.
[0081]
Further, based on the notification from the power management controller 501, it is determined again whether the remaining capacity of the battery is low, that is, whether the battery is in shortage of power (step S14).
[0082]
If it is determined that the power is insufficient, the driving power to the head unit that has relatively little influence on the continuation of the legged motion such as walking is cut off and the operation of the head unit is stopped (step S15). Further, control signals such as drive commands for the joint actuators in the head unit are stopped (step S16) to save power. The power cut-off to the head unit may include power cut-off of not only the drive actuator but also the image input device 251, the sound input device 252, the sound output device 253, and the communication interface 254 mounted on the head.
[0083]
Further, based on the notification from the power management controller 501, it is determined again whether or not the remaining capacity of the battery is low, that is, whether or not the power is insufficient (step S17).
[0084]
When it is determined that the power is insufficient, the drive power to the arm unit that has the least influence after the head unit is cut off and the arm unit operation is stopped for the continuation of legged movement such as walking. (Step S18). Further, control signals such as drive commands for the joint actuators in the arm unit are stopped (step S19) to save power.
[0085]
Further, based on the notification from the power management controller 501, it is determined again whether or not the remaining capacity of the battery is low, that is, whether or not the battery is short of power (step S20).
[0086]
When it is determined that the power is insufficient, for the continuation of leg-type movement such as walking, the driving power to the trunk unit having the least influence after the arm unit is cut off, and the operation of the trunk unit is stopped. (Step S21). Further, control signals such as drive commands for the joint actuators in the trunk unit are stopped (step S22) to save power.
[0087]
After executing the process for saving power as described above, the process proceeds to the next operation (step S23).
[0088]
FIG. 7 shows another example of the power management operation in the robot 100 according to the present embodiment in the form of a flowchart. Hereinafter, description will be given according to this flowchart.
[0089]
The power management controller 501 constantly monitors the remaining capacity of the battery. The control module 200/300 waits until it receives a notification from the power management controller 501 that the remaining capacity of the battery has fallen below a predetermined value, that is, power shortage (step S31).
[0090]
When receiving a notification that the remaining capacity of the battery has fallen below a predetermined value, the control module 200/300 changes the control parameter of the control formula used for drive control in at least one drive unit (step S32). . As a result, the power consumption in the drive unit is reduced, and the burden on the battery 512 as the main power source is reduced. In other words, battery life is extended.
[0091]
Next, the control module 200/300 waits again until receiving a notification from the power management controller 501 that the remaining capacity of the battery has fallen below a predetermined value (step S33).
[0092]
When receiving a notification that the remaining capacity of the battery has fallen below a predetermined value, the control module 200/300 changes the operation target position in at least one drive unit (step S34). The operation target position mentioned here is, for example, a charging station (not shown) that provides a charging service for the battery 512, or an AC outlet where the AC adapter 511 is mounted.
[0093]
The change of the operation target position means that the operation being performed by the mobile robot 100 is temporarily interrupted and saved. It is preferable to save the effective state at the time of interruption in order to resume the work after the power supply is restored.
[0094]
Next, the control module 200/300 waits again until receiving a notification from the power management controller 501 that the remaining capacity of the battery has fallen below a predetermined value (step S35).
[0095]
When receiving a notification that the remaining capacity of the battery has fallen below a predetermined value, the control module 200/300 stops the operation of at least one drive unit (step S36). The drive unit whose operation should be stopped is preferably a part that has a relatively little influence on legged movement such as walking by the leg unit, such as a sensor, a head, an arm, and a trunk. As a result, it is possible to further reduce the power consumed by the entire system while continuing to realize the operation target position set in step S34. Note that the power cut-off to the head unit may include power cut-off of not only the drive actuator but also the image input device 251, the sound input device 252, the sound output device 253, and the communication interface 254 mounted on the head. . Moreover, the electric power interruption | blocking to each drive part unit may include the stop of the various sensors arrange | positioned at each part.
[0096]
Next, the control module 200/300 waits again until receiving a notification from the power management controller 501 that the remaining capacity of the battery has fallen below a predetermined value (step S37).
[0097]
When receiving a notification that the remaining capacity of the battery has fallen below a predetermined value, the control module 200/300 connects to an external power supply device (step S38). The external power supply device referred to here is, for example, a charging station, an AC outlet where the AC adapter 511 is mounted, a spare battery, or the like.
[0098]
FIG. 8 shows another example of the power management operation in the robot 100 according to the present embodiment in the form of a flowchart. Hereinafter, description will be given according to this flowchart.
[0099]
The power management controller 501 constantly monitors the remaining capacity of the battery. The control module 200/300 waits until it receives a notification from the power management controller 501 that the remaining capacity of the battery has fallen below a predetermined value, that is, power shortage (step S41).
[0100]
When receiving the notification that the remaining capacity of the battery has fallen below the predetermined value, the control module 200/300 changes the control parameter of the control formula used for drive control in at least one drive unit (step S42). . As a result, the power consumption in the drive unit is reduced, and the burden on the battery 512 as the main power source is reduced. In other words, battery life is extended.
[0101]
Next, the control module 200/300 waits again until receiving a notification from the power management controller 501 that the remaining capacity of the battery has fallen below a predetermined value (step S43).
[0102]
When receiving a notification that the remaining capacity of the battery has fallen below the predetermined value, the control module 200/300 changes the operation target position in at least one drive unit (step S44). The motion target position mentioned here is, for example, a posture / motion pattern that can avoid a dangerous state such as a fall even when the battery is completely consumed and the power supply is interrupted.
[0103]
Then, when the transition to the operation target position is completed, all the operations of the drive unit are stopped (step S45) to prepare for a situation where the battery is completely consumed.
[0104]
FIG. 9 shows another example of the power management operation in the robot 100 according to the present embodiment in the form of a state transition model. Hereinafter, description will be made according to this state transition model.
[0105]
In state 0, all axes, that is, all joint actuators are operating in a state where they can be fully operated.
[0106]
When a decrease in power is detected in state 0, the state transitions to state 1 and the control parameter is changed in at least one drive unit. As a result, the power consumption in the drive unit is reduced, and the operation can be continued in a state where the burden on the battery 512 as the main power source is reduced. In other words, battery life is extended.
[0107]
A transition from state 1 to state 8 may be made directly to start charging the battery. Alternatively, the state may be temporarily changed to state 7 and then connected to a charging station or an AC power source, and then the state may be changed to state 8 to start charging the battery. When the charging is completed, the state returns to the state 0, and the operation in the full operation of all axes can be performed.
[0108]
When a decrease in power is detected in state 1, the state transitions to state 2 and the operation target position is changed. The operation target position mentioned here is, for example, a charging station that provides a charging service for the battery 512 or an AC outlet that is a place where the AC adapter 511 is mounted. Alternatively, even when the battery is completely consumed and the power supply is interrupted, an attitude / motion pattern that can avoid a dangerous state such as a fall may be set as the operation target.
[0109]
In the latter case, after the robot 100 is retracted to a safe posture, the state transitions to the state 3 to stop all axis operations. 10 to 12 exemplify a safe posture of the robot 100. That is, FIG. 10 shows a posture in which the robot 100 sits down, FIG. 11 shows a posture in which the robot 10 lies on its face, and FIG. 12 shows a posture in which the robot 100 lies on its back. In any of the drawings, the driving of the legs and other driving unit (ie, power consumption) is hardly required for maintaining the posture. In addition, since the position of the center of gravity of the robot 100 is sufficiently low, there is no possibility that a large impact is applied to the robot 100 or the collision object due to the fall.
[0110]
A transition from state 2 to state 8 may be made directly to start charging the battery. Alternatively, the state may be temporarily changed to state 7 and then connected to a charging station or an AC power source, and then the state may be changed to state 8 to start charging the battery. When the charging is completed, the state returns to the state 0, and the operation in the full operation of all axes can be performed.
[0111]
In addition, when a decrease in power is detected in state 2, the state transitions to state 4 and stops the operation of the head unit that has relatively little influence on the continuation of legged movement such as walking. Also, control signals such as drive commands for the joint actuators in the head unit are stopped. As a result, the power consumption in the entire system is reduced, and the operation can be continued in a state where the burden on the battery 512 as the main power source is reduced. In other words, battery life is extended. The power cut-off to the head unit may include power cut-off of not only the drive actuator but also the image input device 251, the sound input device 252, the sound output device 253, and the communication interface 254 mounted on the head.
[0112]
A transition from state 4 to state 8 may be made directly to start charging the battery. Alternatively, the state may be temporarily changed to state 7 and then connected to a charging station or an AC power source, and then the state may be changed to state 8 to start charging the battery. When the charging is completed, the state returns to the state 0, and the operation in the full operation of all axes can be performed.
[0113]
Further, when a decrease in power is detected in state 4, the state transitions to state 5 and the operation of the arm unit having the next least influence on the continuation of the legged operation such as walking is stopped. Also, control signals such as drive commands for the joint actuators in the arm unit are stopped. As a result, the power consumption in the entire system is reduced, and the operation can be continued in a state where the burden on the battery 512 as the main power source is reduced. In other words, battery life is extended.
[0114]
The state 5 may be directly changed to the state 8 to start charging the battery. Alternatively, the state may be temporarily changed to state 7 and then connected to a charging station or an AC power source, and then the state may be changed to state 8 to start charging the battery. When the charging is completed, the state returns to the state 0, and the operation in the full operation of all axes can be performed.
[0115]
Further, when a decrease in power is detected in state 5, the state transitions to state 6 and the operation of the trunk unit having the next least influence on the continuation of the legged operation such as walking is stopped. Also, control signals such as drive commands for the joint actuators in the trunk unit are stopped. As a result, the power consumption in the entire system is reduced, and the operation can be continued in a state where the burden on the battery 512 as the main power source is reduced. In other words, battery life is extended.
[0116]
The state 5 may be directly changed to the state 8 to start charging the battery. Alternatively, the state may be temporarily changed to state 7 and then connected to a charging station or an AC power source, and then the state may be changed to state 8 to start charging the battery. When the charging is completed, the state returns to the state 0, and the operation in the full operation of all axes can be performed.
[0117]
[Supplement]
The present invention has been described in detail above with reference to specific embodiments. However, it is obvious that those skilled in the art can make modifications and substitutions of the embodiments without departing from the gist of the present invention.
[0118]
In the present specification, the present invention has been described in accordance with an embodiment in which the present invention is applied to a biped humanoid robot. However, the scope of the present invention is not limited to this, and other types of legged mobile robots. Alternatively, it should be fully understood that the present invention works effectively for mobile robots other than legs.
[0119]
In short, the present invention has been disclosed in the form of exemplification, and should not be interpreted in a limited manner. In order to determine the gist of the present invention, the claims section described at the beginning should be considered.
[0120]
【The invention's effect】
As described above in detail, it is possible to provide an excellent mobile robot that can freely move in a work space without a path using a rechargeable battery without being constrained by an external power cable.
[0121]
In addition, according to the present invention, it is possible to provide an excellent power management technique for a mobile robot that moves freely (no path) in the work space.
[0122]
In addition, according to the present invention, for a mobile robot that does not act unplanned or falls due to power supply interruption even when it falls into a low battery state at any place on the work space. Can provide excellent power management technology.
[0123]
Further, according to the present invention, when the battery falls into a low battery state at any place on the work space, the drive unit control parameter is changed or each drive unit unit having less influence on the legged work is changed. By sequentially stopping, it is possible to reduce power consumption and extend battery life. As a result, the execution of the robot operation can be continued for a longer time, and the energy required for the connection operation with the charging station and other external power supply devices can be ensured.
[0124]
Further, according to the present invention, when the battery 100 falls into a low battery state at any place on the work space, the robot 100 is in a sitting posture, lying on its face, sleeping on its back, etc. As described above, the robot 100 requires little driving of the legs and other driving unit units (that is, power consumption) to maintain the posture and shifts to a posture in which the position of the center of gravity is sufficiently low. It is possible to avoid a large impact on the collision object.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a state in which a legged mobile robot 100 used for carrying out the present invention is viewed from the front.
FIG. 2 is a view showing a state in which a legged mobile robot 100 used for carrying out the present invention is viewed from behind.
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a degree-of-freedom configuration model included in the legged mobile robot 100 according to the present embodiment.
FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a control system configuration of a legged mobile robot 100 according to the present embodiment.
FIG. 5 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a power supply system of the legged mobile robot 100 according to the embodiment.
FIG. 6 is a flowchart illustrating an example of a power management operation in the robot 100 according to the present embodiment.
FIG. 7 is a flowchart showing another example of the power management operation in the robot 100 according to the embodiment.
FIG. 8 is a flowchart showing another example of the power management operation in the robot 100 according to the embodiment.
FIG. 9 is a state transition diagram showing another example of the power management operation in the robot 100 according to the embodiment.
10 is a diagram illustrating a safe posture of the robot 100. More specifically, FIG. 10 is a diagram illustrating a posture in which the robot 100 sits down.
11 is a diagram illustrating a safe posture of the robot 100. More specifically, FIG. 11 is a diagram illustrating a posture in which the robot 100 is lying on its face.
12 is a diagram illustrating a safe posture of the robot 100. More specifically, FIG. 12 is a diagram illustrating a posture in which the robot 100 is lying on its back.
[Explanation of symbols]
1 ... head, 2 ... neck yaw axis
3 ... Neck joint pitch axis, 4 ... Neck joint roll axis
5 ... trunk pitch axis, 6 ... trunk roll axis
7 ... trunk yaw axis, 8 ... shoulder joint pitch axis
9 ... Shoulder joint roll axis, 10 ... Upper arm yaw axis
11 ... Elbow joint pitch axis, 12 ... Forearm yaw axis
13 ... wrist joint pitch axis, 14 ... wrist joint roll axis
15 ... hand, 16 ... hip yaw axis
17 ... Hip pitch axis, 18 ... Hip roll axis
19 ... Knee joint pitch axis, 20 ... Ankle joint pitch axis
21 ... Ankle joint roll axis, 22 ... Foot (plantar)
100: Legged mobile robot
200 ... Thought control module
201 ... Bus interface
211 ... CPU, 212 ... RAM, 213 ... ROM
214 ... External storage device
251 ... Image input device (CCD camera)
252 ... Voice input device (microphone)
253 ... Audio output device (speaker)
254 ... Communication interface
300 ... Motion control module
301 ... Bus interface
311 ... CPU, 312 ... RAM, 313 ... ROM
314: External storage device
351 ... Attitude sensor
352, 353 ... Grounding confirmation sensor
354 ... Power supply control device
501 ... Power management controller, 502 ... Power supply / cutoff unit
511: AC adapter, 512: Battery

Claims (20)

移動ユニットと、体幹部ユニットを含む、バッテリ駆動の移動ロボット装置であって、
前記の各ユニットに対して駆動を指示する制御信号を発行する制御部と、
前記バッテリの状態を監視する電源管理部と、
前記電源管理部によるバッテリ状態の監視結果に応答して、前記の各ユニットへの駆動電力の供給・遮断を行う電源供給・遮断部と、
を具備し、
前記電源管理部は、前記バッテリの電力が所定値を下回ったことに応答して、前記移動ユニットよりも先に前記体幹部ユニットへの駆動電力を遮断せしめる、
移動ロボット装置。 A battery-driven mobile robot apparatus including a mobile unit and a torso unit ,
A control unit for issuing a control signal for instructing the drive for each unit of the,
A power management unit for monitoring the state of the battery;
In response to the result of monitoring the battery state by the power management unit, and the power supply-interrupting unit that performs supply and cutoff of the drive power to the respective units of,
Equipped with,
In response to the fact that the power of the battery falls below a predetermined value, the power management unit cuts off the drive power to the trunk unit before the moving unit.
Mobile robot device . 前記制御部は、前記駆動電力が遮断された各ユニットに対する制御信号の出力を停止する、
請求項１に記載の移動ロボット装置。The control unit stops outputting a control signal to each unit in which the driving power is cut off ;
The mobile robot apparatus according to claim 1. 前記移動ロボット装置は、さらに、姿勢センサ、画像入力装置、又は音声入出力装置のうち少なくとも１つを含み、
前記電源管理部は、前記バッテリの電力が所定値を下回ったことに応答して、該姿勢センサ、画像入力装置、又は音声入出力装置への駆動電力を遮断せしめる、
請求項１に記載の移動ロボット装置。The mobile robot device further includes at least one of a posture sensor , an image input device, or a voice input / output device,
The power management unit cuts off driving power to the attitude sensor , the image input device, or the voice input / output device in response to the battery power being lower than a predetermined value ;
The mobile robot apparatus according to claim 1. 前記制御部は、前記電源管理部から前記バッテリの電力が所定値を下回った旨の通知を受け取ったことに応答して、少なくとも一つの駆動部ユニットの制御パラメータの変更を指示する、
請求項１に記載の移動ロボット装置。 In response to receiving a notification that the power of the battery has fallen below a predetermined value from the power management unit, the control unit instructs to change a control parameter of at least one drive unit.
The mobile robot apparatus according to claim 1. 前記制御部は、前記電源管理部から前記バッテリの電力が所定値を下回った旨の通知を受け取ったことに応答して、少なくとも一部の駆動部ユニットに対する制御則を変更する、
請求項１に記載の移動ロボット装置。 In response to receiving a notification from the power management unit that the power of the battery has fallen below a predetermined value, the control unit changes a control law for at least some of the drive unit units.
The mobile robot apparatus according to claim 1. 前記制御則の変更は、駆動部ユニットにおける動作目標位置の変更を含む、
請求項５に記載の移動ロボット装置。 The change of the control law includes a change of the operation target position in the drive unit.
The mobile robot apparatus according to claim 5 . 前記制御則の変更は、少なくとも一部の駆動部ユニットの停止を含む、
請求項５に記載の移動ロボット装置。 The change of the control law includes stopping at least some of the drive unit units,
The mobile robot apparatus according to claim 5 . 前記制御則の変更は、外部電源供給装置への接続動作を含む、
請求項５に記載の移動ロボット装置。 The change of the control law includes a connection operation to an external power supply device.
The mobile robot apparatus according to claim 5 . 前記制御則の変更は、重心位置が充分に低い安定姿勢への移行及び該安定姿勢下でのほとんどすべての駆動部ユニットへの駆動電力の停止を含む、
請求項５に記載の移動ロボット装置。 The change of the control law includes a transition to a stable posture where the position of the center of gravity is sufficiently low and a stop of driving power to almost all the drive unit units under the stable posture.
The mobile robot apparatus according to claim 5 . 頭部ユニット、腕部ユニット、及び体幹部ユニットを含む、バッテリ駆動の移動ロボット装置であって、A battery-driven mobile robot apparatus including a head unit, an arm unit, and a trunk unit,
前記の各ユニットに対して駆動を指示する制御信号を発行する制御部と、A control unit that issues a control signal instructing driving to each unit;
前記バッテリの状態を監視する電源管理部と、A power management unit for monitoring the state of the battery;
前記電源管理部によるバッテリ状態の監視結果に応答して、前記の各ユニットへの駆動電力の供給・遮断を行う電源供給・遮断部と、In response to the monitoring result of the battery state by the power management unit, a power supply / shutoff unit that supplies / shuts down driving power to each of the units;
を具備し、Comprising
前記電源管理部は、前記バッテリの電力が所定値を下回ったことに応答して、体幹部ユニットよりも先に、頭部ユニット、腕部ユニットへの駆動電力を遮断せしめる、In response to the power of the battery being lower than a predetermined value, the power management unit cuts off the driving power to the head unit and the arm unit before the trunk unit.
移動ロボット装置。Mobile robot device. 移動ユニットと、体幹部ユニットを含む、バッテリ駆動の移動ロボット装置の制御方法であって、A control method for a battery-driven mobile robot apparatus including a mobile unit and a torso unit,
前記バッテリの状態を監視する監視ステップと、A monitoring step of monitoring the state of the battery;
前記監視ステップにおけるバッテリ状態の監視結果に応答して、各駆動部ユニットへの駆動電力の供給・遮断を行う電源切り換えステップと、In response to the monitoring result of the battery state in the monitoring step, a power supply switching step for supplying / cutting drive power to each drive unit;
を有し、Have
前記電源切り換えステップでは、前記監視ステップにおいて前記バッテリの電力が所定値を下回ったことが検出されたことに応答して、前記移動ユニットよりも先に前記体幹部ユニットへの駆動電力を遮断せしめる、In the power switching step, in response to detecting that the power of the battery is lower than a predetermined value in the monitoring step, the driving power to the trunk unit is cut off before the moving unit.
移動ロボット装置の制御方法。A method for controlling a mobile robot apparatus. さらに、前記駆動電力が遮断された駆動部ユニットに対する制御信号の出力を停止するステップを有する、Furthermore, it has a step of stopping the output of the control signal to the drive unit where the drive power is cut off,
請求項１１に記載の移動ロボット装置の制御方法。The method for controlling a mobile robot apparatus according to claim 11. 前記移動ロボット装置は、さらに、姿勢センサ、画像入力装置、又は音声入出力装置を含み、The mobile robot device further includes a posture sensor, an image input device, or a voice input / output device,
前記電源切り換えステップでは、前記監視ステップにおいて前記バッテリの電力が所定値を下回ったことが検出されたことに応答して、該姿勢センサセンサ、画像入力装置、又は音声入出力装置への駆動電力を遮断せしめる、In the power switching step, in response to detecting that the power of the battery is lower than a predetermined value in the monitoring step, the driving power to the posture sensor sensor, the image input device, or the voice input / output device is changed. Shut off,
請求項１１に記載の移動ロボット装置の制御方法。The method for controlling a mobile robot apparatus according to claim 11. さらに、前記監視ステップにおいて前記バッテリの電力が所定値を下回ったことが検出されたことに応答して、少なくとも一つの駆動部ユニットの制御パラメータの変更を指示するステップを有する、
請求項１１に記載の移動ロボット装置の制御方法。 Further, in response to detecting that the power of the battery has fallen below a predetermined value in the monitoring step, there is a step of instructing a change of a control parameter of at least one drive unit.
The method for controlling a mobile robot apparatus according to claim 11 . さらに、前記監視ステップにおいて前記バッテリの電力が所定値を下回ったことが検出されたことに応答して、少なくとも一部の駆動部ユニットに対する制御則を変更するステップを有する、
請求項１１に記載の移動ロボット装置の制御方法。 Furthermore, in response to detecting that the power of the battery has fallen below a predetermined value in the monitoring step, there is a step of changing a control law for at least some of the drive unit units.
The method for controlling a mobile robot apparatus according to claim 11 . 前記制御則の変更は、駆動部ユニットにおける動作目標位置の変更を含む、
請求項１５に記載の移動ロボット装置の制御方法。 The change of the control law includes a change of the operation target position in the drive unit.
The method for controlling a mobile robot apparatus according to claim 15 . 前記制御則の変更は、少なくとも一部の駆動部ユニットの停止を含む、
請求項１５に記載の移動ロボット装置の制御方法。 The change of the control law includes stopping at least some of the drive unit units,
The method for controlling a mobile robot apparatus according to claim 15 . 前記制御則の変更は、外部電源供給装置への接続動作を含む、
請求項１５に記載の移動ロボット装置の制御方法。 The change of the control law includes a connection operation to an external power supply device.
The method for controlling a mobile robot apparatus according to claim 15 . 前記制御則の変更は、重心位置が充分に低い安定姿勢への移行及び該安定姿勢下でのほとんどすべての駆動部ユニットへの駆動電力の停止を含む、
請求項１５に記載の移動ロボット装置の制御方法。 The change of the control law includes a transition to a stable posture where the position of the center of gravity is sufficiently low and a stop of driving power to almost all the drive unit units under the stable posture.
The method for controlling a mobile robot apparatus according to claim 15 . 移動ユニットと、体幹部ユニットを含む、バッテリ駆動の移動ロボット装置の制御方法であって、A control method for a battery-driven mobile robot apparatus including a mobile unit and a torso unit,
前記バッテリの状態を監視する監視ステップと、A monitoring step of monitoring the state of the battery;
前記監視ステップにおけるバッテリ状態の監視結果に応答して、各駆動部ユニットへの駆動電力の供給・遮断を行う電源切り換えステップと、In response to the monitoring result of the battery state in the monitoring step, a power supply switching step for supplying / cutting drive power to each drive unit;
を有し、Have
前記電源切り換えステップでは、前記監視ステップにおいて前記バッテリの電力が所定値を下回ったことが検出されたことに応答して、体幹部ユニットよりも先に、頭部ユニット、腕部ユニットへの駆動電力を遮断せしめる、In the power supply switching step, in response to detecting that the power of the battery is lower than a predetermined value in the monitoring step, the driving power to the head unit and the arm unit before the trunk unit Shut off,
移動ロボット装置の制御方法。A method for controlling a mobile robot apparatus.
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